ファイバーレーザーをゼロから解説
希土類添加ファイバー – 利得媒質
コアに希土類(Rare Earth:RE) の3価のイオンを活性物質として添加した希土類添加ファイバーは、図1に示すように波長3μm以下の様々な波長に遷移線を有する。
図1：希土類添加ファイバーの発光波長域
Er3+、Nd3+、Yb3+等の典型的なRE イオンの添加量は100ppm(Parts Per Million) から10, 000ppm (1 ％) 以上までと幅広い。シリカガラス中でのRE イオンはRE2O3 として存在するが、添加濃度が高くなると局所的に分布がかたよるクラスタリング(clustering:偏り) が起こる。しかしAl2O3やP2O5等を共添加し希土類イオンを溶けやすくすることにより、クラスタリングをある程度防ぐことができる。またAl2O3が共添加されることにより蛍光スペクトルは平滑化かつ広帯域化される。更にコア部には屈折率を上げるためにGeO2等が加えられる。
Yb3+、Er3+、Tm3+のエネルギー準位構造のうち、主なレーザー発振に寄与する部分を図2に示す。
図2：希土類イオンのエネルギー準位図
Erシリカガラス
増幅器を作る場合は1480nmで励起して1550nmで増幅させる。また、Erで発振器を作る場合は、980nmで励起して1550nmでレーザー発振させる。Erは多くの準位があるので、励起状態からの吸収がおこり、それにより550nm、2700nmの蛍光が見えることがある。
Ybシリカガラス
ほぼ2準位という単純なエネルギー構造であり、効率がいい。濃度消光が少ないのでYbイオンの高濃度添加が可能である。これにより、ファイバー長を短くでき（利得長の短小化）、非線形効果を抑制できる。
